【正文】 源等硬件設(shè)備。軟件包括內(nèi)軟件和外軟件，內(nèi)軟件是與接收機(jī)融為一體的控制接收機(jī)信號(hào)、對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，以及自動(dòng)操作的程序等 。外軟件指觀測(cè)數(shù)據(jù)后處理的軟件系統(tǒng)。接收機(jī)的種類很多，可以按不同的要求進(jìn)行分類，但各類接收機(jī)的結(jié)構(gòu)基本一致?？煞譃樘炀€單元和接收單元兩部分，如圖 34所示。 25 圖 34 GPS接收機(jī)的基本構(gòu)成 下面對(duì)其主要功能作簡(jiǎn)要介紹。 （一）天線單元 它是由接收天線和前置放大器組成。目前，接收機(jī)采用的天線有 :定向天線、偶極子天線、微帶天線、一 (二、四 )線螺旋天線、圓錐 螺旋天線等。這些天線各有利弊，各有特點(diǎn)，可根據(jù)需要選用。前置放大器是一種關(guān)鍵性元件，它直接影響著信噪比。因此要求它具有噪聲系數(shù)小、增益高和動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)。 （二） 接收單元 (1)信號(hào)通道單元：它的主要功能是接收來(lái)自天線單元的信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻、放大、濾波等一系列處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì) GPS信號(hào)的跟蹤、鎖定、測(cè)量、提供出計(jì)算位置的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)需要，可設(shè)計(jì)成 1一 12通道，供任意選擇。通道由硬件和軟件組成。每一個(gè)通道在某一時(shí)刻只能跟蹤一顆衛(wèi)星。當(dāng)此衛(wèi)星被鎖定后，便占據(jù)這一通道，直到此衛(wèi)星信號(hào)失鎖為止?，F(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展， 并行多通道技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于各種類型的接收機(jī)。同時(shí)相關(guān)型通道也廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代的 GPS接收機(jī)中。 (2)貯存單元：為了差分定位和相對(duì)定位事后處理的要求，一些接收機(jī)能將實(shí)時(shí)定位的各種數(shù)據(jù)、原始觀測(cè)量以及結(jié)果貯存下來(lái)，供事后處理用。 (3)計(jì)算和顯示控制單元：它的功能是：①工作開(kāi)始的自檢；②根據(jù)采集到的衛(wèi)星星歷、偽距觀測(cè)值計(jì)算三維坐標(biāo)和速度；③人機(jī)對(duì)話，輸入航路進(jìn) 26 自動(dòng)導(dǎo)航。輸入衛(wèi)星高度截止角、歷元間隔以及其他指令，以計(jì)算和更新位置。輸入各種指令，以控制屏幕顯示等。 (4)電源： GPS接收機(jī)采用直流供電?？梢詫㈦姵?裝入機(jī)內(nèi)，也可以外接蓄電池，專門(mén)為機(jī)內(nèi)時(shí)鐘供電，或者為 RAM存貯器供電，以保證在關(guān)機(jī)時(shí)保留貯儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 GPS接收機(jī)工作原理 接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的處理、測(cè)量都是在其信號(hào)通道中實(shí)現(xiàn)的，因此接收機(jī)的工作原理與信號(hào)通道的工作原理是一致的。下面以碼相關(guān)型通道的工作方式為例，來(lái)闡述接收機(jī)的基本工作原理。 以碼相關(guān)技術(shù)為依據(jù)，處理和測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)的通道，稱為碼相關(guān)型通道，如圖 15所示。其數(shù)學(xué)分析過(guò)程可見(jiàn)第二章中有關(guān)相關(guān)接收部分。該通道主要由碼跟蹤回路和載波跟蹤回路組成。碼跟蹤回路從 C/A碼或 P碼中提取偽距觀測(cè)量 ，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，以獲取導(dǎo)航電文和載波。偽隨機(jī)噪聲碼 (PRN)發(fā)生器在接收機(jī)時(shí)鐘的控制下，可以產(chǎn)生一個(gè)與衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼結(jié)構(gòu)完全相同的碼，即復(fù)制碼。在相關(guān)器中對(duì)接收到的衛(wèi)星測(cè)距碼和接收機(jī)的復(fù)制碼進(jìn)行相關(guān)分析，當(dāng)兩信號(hào)之間達(dá)到最大相關(guān)時(shí)，便可測(cè)定出兩信號(hào)間的時(shí)間延遲，即衛(wèi)星發(fā)射的碼信號(hào)到達(dá)接收機(jī)天線的傳播時(shí)間。當(dāng)兩信號(hào)達(dá)到最大相關(guān)時(shí)，稱為鎖定信號(hào)。此時(shí)，如果把衛(wèi)星信號(hào)和復(fù)制碼混頻，并將混頻后的信號(hào)通過(guò)帶通濾波器濾去衛(wèi)星信號(hào)中的偽隨機(jī)噪聲碼，便可獲得只具有數(shù)據(jù)碼 (導(dǎo)航電文 )和載波的信號(hào)。 27 圖 35 碼 相關(guān)型通道示意圖 載波跟蹤回路的主要作用是，當(dāng)去掉偽隨機(jī)噪聲碼的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)入該回路后，進(jìn)行載波相位測(cè)量，解調(diào)出衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。它利用壓控振蕩器使接收機(jī)振蕩器所產(chǎn)生的參考載波相位與接收機(jī)的載波相位保持一致，當(dāng)兩信號(hào)的相位保持一致時(shí)，載波跟蹤回路便鎖住了載波信號(hào)，這時(shí)通過(guò)對(duì)載波信號(hào)的測(cè)量，進(jìn)一步獲得對(duì)載波相位的觀測(cè)量。衛(wèi)星載波相位被鎖定后，再將其與參考載波信號(hào)混頻，通過(guò)低通濾波器去掉高頻信號(hào)，就能獲得導(dǎo)航電文。碼相關(guān)通道既可進(jìn)行偽距測(cè)量，又可進(jìn)行載波相位測(cè)量，并能獲得導(dǎo)航電文，信噪比也較好，因此目前接收機(jī)普遍采 用這種通道。但它必須掌握偽隨機(jī)碼的結(jié)構(gòu)，接收機(jī)才能復(fù)制以產(chǎn)生復(fù)制碼，由于美國(guó)政府對(duì) P碼的保密政策，一般用戶無(wú)法采用碼相關(guān)技術(shù)獲得 L2載波的觀測(cè)值，因此不能通過(guò)雙頻技術(shù)來(lái)減弱電離層折射的影響。此時(shí)，為了獲得 L2載波的相位觀測(cè)量可利用平方技術(shù)。有關(guān)這方面的原理可參考有關(guān)理論書(shū)籍，這里限于篇幅，故不作闡述。新型的 GPS接收機(jī)綜合了相關(guān)技術(shù)和平方技術(shù)，可以提供多種導(dǎo)航和定位信息等。 “Jupiter” GPS/OEM 板 Rockwell公司的 “Jupiter” GPS/OEM接收機(jī)具有尺寸小、性能穩(wěn)定等優(yōu)良特征。可方便、自主地開(kāi)發(fā)出各種 GPS應(yīng)用系統(tǒng)。它具有如下特點(diǎn)： (1)極其緊湊的 GPS接收機(jī)尺寸： 71mm179。41mm179。11mm ； (2)其射頻輸入為 ，范圍為 130dBw～ 163dBw； (3)具有 12個(gè)并行衛(wèi)星軌跡通道，能快速識(shí)別和再識(shí)別當(dāng)前位置； (4)支持真正的 NEMA0183數(shù)據(jù)格式； (5)直接微分的 RECMSC104數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)提供定位精確度； (6)自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)，提高微弱信號(hào)的檢測(cè)能力； （ 1） 產(chǎn)品介紹 Jupiter021/031系列 GPS OEM板是美國(guó) Conexant公司（前 Rockwell通信部）公司繼極有聲望的 Jupiter 221/231系列， 371/381系列之后開(kāi)發(fā)出的又一高性能的 GPS接收板，其強(qiáng)大的功能和無(wú)與倫比的可靠性、穩(wěn)定性比著名的221/231系列更有過(guò)之而無(wú)不及。 021/031保持了 371/381原有的 12個(gè)并行通道和高靈敏度 RF部分，再加上其獨(dú)具特色的內(nèi)部 DSP及控制處理軟件，使Jupiter捕捉和重捕衛(wèi)星的能力更加迅速，航跡平滑和高效率導(dǎo)航更可靠，即使在城市和樹(shù)林中， Jupiter 021/031也能定位自如。 Jupiter021/031系列 GPS OEM板是低價(jià)位、高性能 GPS OEM的首選。 （ 2） 跟蹤性能 28 跟蹤能力：同時(shí)跟蹤 12顆衛(wèi)星 波跟蹤（載波輔助跟蹤） L1波段（ ）， C/A碼（ 率）＋載 小于 1米差分精度 獨(dú)特的速度濾波器，無(wú)靜態(tài)漂移 首次定位時(shí)間（ TTFF）短 （ 3） 捕獲時(shí)間 TTFF典型重捕獲時(shí)間 ， TTFF典型溫啟動(dòng) 15秒，典型初始化啟動(dòng) 45秒；TTFF典型冷啟動(dòng) 120秒。（測(cè)試溫度－ 30～＋ 85攝氏度） （ 4） 數(shù)據(jù)特性 頻率輸出： 10KHz頻率輸出，與 1PPS信號(hào)同步， 精度 1us。 輸出信息：經(jīng)度、緯度、高度、速度、航向、時(shí)間、載波相位、自檢等幾十個(gè)數(shù)據(jù)的 十幾條組合輸出信息（ Rockwell二進(jìn)制格式），輸出間隔可調(diào)， NMEA－ 0183，天線：可配有源微帶扁片天線模塊，接收板提供電源（ 25mA，5V），或配無(wú)源 天線（電纜損耗 3db）。 （ 5） 精度 定位精度：小于 15米 RMS（無(wú) SA時(shí)） 時(shí)間精度： 1PPS秒脈沖輸出，精度 1us。 （ 6） 動(dòng)態(tài)性能 高度：－ 1000～ 60000英尺 速度 ： 515米 /秒 加速度 ： 6g （ 7） 物理特性 基準(zhǔn)面： 189種標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)面， 5種 用戶自定義基準(zhǔn)面，缺省為 WGS－ 84 電源：直流＋ 5177。 ，抗 100mV（最大）紋波電壓干擾。 后備電源：外部＋ 5V177。~+3+ 直流。板上自帶超大容量電容。 功耗：在＋ 5V+，典型 195mA/975mW，最大 230mA/1150mW 尺寸 /重量： 41179。71179。11 毫米， 數(shù)據(jù) /電源接口：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 20針（ 2179。10 ）插頭，射頻： OSX（或 MCX型， 超小型，搭鎖式） TTL接口；差分 GPSRTCM SC－ 104（ ROCKWELL二進(jìn)制和 NMEA兩種格式） GARMIN公司 的 GPS25 板 （ 1） 產(chǎn)品簡(jiǎn)介 GARMIN公司在提供各種類型的 GPS成品的同時(shí) ,還提供一系列的最經(jīng)典的 29 GPS OEM板產(chǎn)品。幾年來(lái)， GARMIN OEM 板一直以定位速度快、工作穩(wěn)定、耐電壓沖擊和高抗干擾性而深受表睞。在車輛調(diào)度、精細(xì)農(nóng)業(yè)、高速追擊、普通授時(shí)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。極高的性能價(jià)格使其成為許多 OEM 用戶的首選。 （ 2） 跟蹤性能 12并行通道，瞬間鎖定可視衛(wèi)星 長(zhǎng)壽命后備鋰電使重捕速度更快 全屏敝封裝具備優(yōu)秀抗電磁干擾特點(diǎn) （ 3） 定位時(shí)間 熱 啟 動(dòng)： 15sec 冷 啟 動(dòng) ： 45sec 重新捕獲： 2sec 自動(dòng)搜索： 90sec （ 4） 數(shù)據(jù)特性 更 新 率： 1/sec1/900sec可調(diào) 坐標(biāo)系統(tǒng)： 106個(gè)預(yù)定義 ,1個(gè)自定義 接 口：兩個(gè) RS232兼容串行口 CMOS 格 式： NEMA ASCII/二進(jìn)制可設(shè)置 輸入數(shù)據(jù)：初始位置 /日期 /時(shí)間 ,2D/3D方式 ,坐標(biāo)系統(tǒng) ,RTCM104差分校正輸出數(shù)據(jù)：速度、時(shí)間、機(jī)器 /衛(wèi)星狀態(tài)、幾何因子及誤差估計(jì) （ 5） 精 度 : 位置精度： 15mRms(SA off)/10m(差 分 ) 時(shí)間精度： 1PPS秒脈沖輸出精度可達(dá)到士 1us 速度精度： （ 6） 動(dòng)態(tài)性能 速 度： 515m/s 加 速 度： 6g 高 度： 18,000 米 （ 7） 物理特性 尺 寸： ** 重 量： 40克 電 壓： (LVC LVS) 640V(HVC HVS)可選 功 耗： 后備電源：可充板置 3V鋰電 (10年壽命 ) 工作溫度： 30℃~ 80℃ 儲(chǔ)存溫度： 40℃~ 80℃ 30 GPSOEM 板 的組成與原理 GPSOEM 板是接收機(jī)的核心模塊 ,而且型號(hào)很多 ,功能各異 ,一般的組成結(jié)構(gòu)主要由低噪聲下變頻器、并行信號(hào)通道、 CUP、存儲(chǔ)器等組成 ,其內(nèi)部信息流如圖 36 所示。 GPSOEM 板的工作原理是它接收天線獲取的衛(wèi)星信號(hào) ,經(jīng)過(guò)變頻、放大、濾波、相關(guān)、混頻等一系列處理 ,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線視界內(nèi)衛(wèi)星的跟蹤、鎖定和測(cè)量。在獲取了衛(wèi)星的位置信息和測(cè)算出衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)間之后 ,即可計(jì)算出天線位置。用戶通過(guò)輸入輸出接口 , 采用異步串行通信方式與 GPSOEM板進(jìn)行信息交換。 圖 36 OEM板的內(nèi)部結(jié)構(gòu) GPSOEM 板輸出數(shù)據(jù)格式 GPSOEM 板的輸出信號(hào) 31 GPSOEM 板的輸出數(shù)據(jù)按照 NMEA0183 (National Marina Elect ronics Association) 格式進(jìn)行異步串行通信。 NMEA 規(guī)定 ,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率為4800 波特 ,采用 8 位 ASC Ⅱ字符 ,轉(zhuǎn)換以 1 個(gè)起始位開(kāi)始 (邏輯“ 0” ) ,接下來(lái)是 8位數(shù)據(jù)位和 1 位附加的終止位 (邏輯“ 1” ) ,沒(méi)有校驗(yàn)位。 GPS 接收器 (OEM 板 ) 有兩種接口形式 , TTL接口和 RS 232 接口 ,如圖 37所示。在應(yīng)用之前 ,必須首先了解兩種標(biāo)準(zhǔn)之間的差異。 圖 37 NMEA格式 ( TTL 和 RS 232 標(biāo)準(zhǔn) ) 兩種標(biāo)準(zhǔn)之間的差異如下 : (1) 使用 TTL 標(biāo)準(zhǔn)接口時(shí) , 邏輯“ 0”對(duì)應(yīng)于 0V ,而邏輯的“ 1”則對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的操作電壓 ( + 3. 3V ～ + 5V) 。 (2) 使用 RS 232 標(biāo)準(zhǔn)接口時(shí) ,邏輯“ 0”對(duì)應(yīng)于一個(gè)正電壓 ( + 3V ～ + 5V) ,而邏輯“ 1”對(duì)應(yīng)于一個(gè)負(fù)電壓 ( 3V ～ 15V) 。如果一個(gè)使用 TTL 標(biāo)準(zhǔn)接口的 GPS 接收器 (OEM 板 ) 與一個(gè)使用 RS 232 標(biāo)準(zhǔn)接口的 GPS(OEM 板 ) 相連接 ,那么它們之間必須要有一個(gè)有效的轉(zhuǎn)換。 NMEA0183 的語(yǔ)句格式 NMEA0183 的每條語(yǔ)句格式如表 31 所示 32 表 31 NMEA0183 語(yǔ)句格式 符號(hào) (ASCII 碼 ) 定義 16 進(jìn)制值 說(shuō) 明 ＄ 起始位 24H 語(yǔ)句起始標(biāo)志 aaccc 地址 前兩位為識(shí)別符 ,后三位為語(yǔ)句名 ， 域分隔符 2CH 各數(shù)據(jù)的分隔標(biāo)志 ddd. . . . dd 數(shù)據(jù)塊 2AH 數(shù)據(jù)內(nèi)容 178。 校 驗(yàn)符號(hào) 后兩位為校驗(yàn)和 hh 校驗(yàn)和 校驗(yàn)的結(jié)果 CR / CF 終止符 0DH ,0A H 回車、換行 GPSOEM 板的輸出語(yǔ)句有十余種 , 以 GARMIN 公司生產(chǎn)的 GPS5L P 型 OEM 板為例 ,其主要語(yǔ)句有＄ GPALM( 歷書(shū)數(shù)據(jù) ) 、＄ GPGGA (定位數(shù)據(jù) ) 、＄ GPGSV (衛(wèi)星狀態(tài) ) 等。其中定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句是最為常用的語(yǔ)句 , 其結(jié)構(gòu)如下 : ＄ GPGGA , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 ,M , 10 ,M , 11 , 12 hh CR L F 各數(shù)據(jù)區(qū)含義為 : 1 :確定位置的世界協(xié)調(diào)時(shí) (U TC) 時(shí)間 ,格式為“時(shí)時(shí)分分秒秒” 。 2 : 緯度值 , 格式為“度度分分 . 分分分分” (含